DE102014116760A1

DE102014116760A1 - Drucksensor mit Wärmeleitelement

Info

Publication number: DE102014116760A1
Application number: DE102014116760.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Baumgartner; Dietmar Kröger; Wolfgang Michelitsch
Original assignee: Piezocryst Advanced Sensorics GmbH
Current assignee: Piezocryst Advanced Sensorics GmbH
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2015-07-23
Also published as: AT515200A4; AT515200B1; CH709195B1; CH709195A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor (1) mit einem Sensorgehäuse (2) und einem druckseitig angeordneten Membranelement (10), das einen zentralen Membranstempel (11), eine kreisringförmige, flexible Membran (12) und einen Membranflansch (13) aufweist, wobei der Membranflansch (13) am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt, vorzugsweise mit diesem verschweißt ist. Der Drucksensor weist zur besseren Wärmeabfuhr ein Wärmeleitelement (20) auf, das die Frontseite (14) des Membranflansches (13) großteils bedeckt, dessen Außenkante (15) umfasst und am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Sensorgehäuse und einem druckseitig angeordneten Membranelement, das einen zentralen Membranstempel, eine kreisringförmige, flexible Membran und einen Membranflansch aufweist, wobei der Membranflansch am druckseitigen Ende des Sensorgehäuses befestigt ist.
Sensoren für die Druckmessung in heißen Prozessen, beispielsweise eingesetzt in eine Messbohrung im Brennraum einer Brennkraftmaschine, sind extremen Wärmeströmen und Druckpulsen ausgesetzt. Diese Wärmeströme führen zu sehr hohen Temperaturen im frontseitigen Bereich des Sensors, insbesondere der Sensormembran, die zu einer Verschlechterung der Messeigenschaften bzw. zur Zerstörung der Sensormembran führen können. Es sind daher bereits unterschiedliche Maßnahmen bekannt geworden, die sensible Frontpartie des Sensors, insbesondere die Sensormembran, zu schützen, wobei jedoch durch die Schutzeinrichtung das dynamische Messverhalten des Sensors möglichst ungestört bleiben soll.
Aus der EP 2 087 333 B1 ist ein schulterdichtender Drucksensor bekannt, dessen ringförmige Membran hinter einem druckseitigen Gehäusefortsatz angeordnet ist, der mit einem Hitzeschild ummantelt ist. Der Hitzeschild ist durch einen Spalt, der eine Wärmebarriere bildet, vom Gehäusefortsatz beabstandet und nur über seinen inneren und äußeren Rand mit dem Sensorgehäuse verbunden, vorzugsweise dicht mit diesem verschweißt. Der innere Rand befindet sich in unmittelbarer Nähe des äußeren Auflagers der flexiblen Sensormembran.
Nachteilig ist der Wärmeeintrag aus dem Hitzeschild über seinen inneren Rand in den dünnen, flexiblen Teil der Membran, was zu einer thermomechanischen Überlastung der Sensormembran führt.
Durch den beabstandeten Hitzeschild wird die Oberflächentemperatur und auch die mittlere Temperatur des Hitzeschildes deutlich erhöht, was die Gefahr von Glühzündungen als Ausgangspunkt klopfender Verbrennung erhöht und zu Motorschäden führen kann.
Die gasdichte Anbindung des Hitzeschildes im Bereich seines inneren Randes führt zu einer mechanischen Einkoppelung von Verformungen des Hitzeschildes direkt in den dünnen, flexiblen Bereich der Sensormembran, wodurch Messfehler generiert werden.
Aus der EP 2 024 710 B1 ist ein Membranschutz für einen schulter- oder frontdichtenden Drucksensor bekannt, der eine zentrale Öffnung und ein Clipsystem aufweist, welches in eine Nut im Inneren des Frontbereichs des Sensors eingreift und den Membranschutz am druckseitigen Ende des Sensorgehäuses befestigt. Eine effiziente Ableitung des Wärmestromes aus kurzzeitigen Hitzestößen ist durch diese Anbindung zumindest bei der schulterdichtenden Ausführungsvariante nicht gewährleistet.
Weiters ist aus der GB 2 217 846 A ein Drucksensor bekannt, dessen Membranelement einen Flanschbereich aufweist, der mit dem druckseitigen Ende des Sensorgehäuses verschweißt ist. Ein topfförmiger Hitzeschild ist am Membranflansch befestigt, vorzugsweise angeschweißt, und bildet zum Membranelement einen frontseitigen Zwischenraum aus. Für den Druckausgleich zum frontseitigen Zwischenraum sind im Hitzeschild Öffnungen vorgesehen.
Ein Drucksensor mit einem frontseitigen Membranelement, das aus einem zentralen Membranstempel, einer kreisringförmigen, flexiblen Membran und einem äußeren Membranflansch besteht, wobei der Membranflansch mit dem frontseitigen Ende des Sensorgehäuses verschweißt ist, ist beispielsweise aus der AT 509.919 B1 bekannt. der Membranflansch bildet hier eine topfförmige Aufnahme, in die ein Thermoschutzelement eingeklipst werden kann. Der Drucksensor wird frontdichtend in eine Messbohrung eingesetzt.
Aus der AT 002.036 U1 ist ein schulterdichtender Sensor zur Druckmessung in heißen Medien bekannt, wobei eine Ausführungsvariante gemäß 1 ein topfartiges Thermoschutzelement für die Sensormembran aufweist. Die Sensormembran weist auf der dem heißen Druckmedium zugewandten Seite eine Beschichtung aus einem weichen, wärmeisolierenden Material auf, beispielsweise eine Beschichtung aus Silikonkautschuk, wobei das Thermoschutzelement in geringem Abstand zu dieser Beschichtung angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die sensible Frontpartie eines Drucksensors der eingangs beschriebenen Art auf eine konstruktiv einfache Weise vor den negativen Auswirkungen kurzzeitiger Hitzestöße zu schützen, wobei das Messverhalten des Drucksensors möglichst nicht beeinflusst werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Drucksensor ein Wärmeleitelement aufweist, das die Frontseite des Membranflansches großteils bedeckt, dessen Außenkante umfasst und außen am druckseitigen Ende des Sensorgehäuses befestigt ist. Das Wärmeleitelement kann durch Schweißen, Löten, Aufpressen oder Aufschrumpfen mit dem druckseitigen Ende des Sensorgehäuses verbunden sein.
Das erfindungsgemäße Wärmeleitelement nimmt den nur kurzzeitig nach der Zündung auftretenden, erhöhten Wärmestrom auf und leitet diesen entfernt von den kritischen Bereichen des Membranelementes in das Sensorgehäuse ab. Um die maximale Oberflächentemperatur zu begrenzen und um Glühzündungen zu vermeiden, ist ein ganzflächiger, thermischer Kontakt des Wärmeleitelementes im Bereich des Membranflansches anzustreben.
Erfindungsgemäß weist das Wärmeleitelement einen ringförmigen Flanschbereich auf, der den äußeren Membranflansch abdeckt, an welchen ein zylindrischer Mantelbereich anschließt, der an der Außenfläche des Sensorgehäuses befestigt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist der ringförmige Flanschbereich des Wärmeleitelementes durch Einschnitte oder schlitzförmige Öffnungen in mehrere Abschnitte unterteilt, wobei sich die Einschnitte oder schlitzförmigen Öffnungen in einem anschließenden Teilbereich des zylindrischen Mantelbereichs fortsetzen können.
Das Wärmeleitelement reagiert zwar auf den durch einen Hitzestoß kurzzeitig erhöhten Wärmestrom an dessen Oberfläche durch sich ausbildende innere Spannungen. Um diese nicht in die kritischen Bereiche des Membranelementes einzuleiten, ist das Wärmeleitelement durch die Einschnitte bzw. die schlitzförmigen Öffnungen mechanisch weich ausgeführt. Dadurch kann der kurzzeitige Wärmestrom das Wärmeleitelement an der Oberfläche verformen, ohne negative Auswirkungen auf das Messverhalten des Sensors auszuüben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsvariante näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Frontpartie eines erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem am Membranelement des Sensors anliegenden Wärmeleitelement im Axialschnitt;
2 den Detailbereich A des Drucksensors gemäß 1 in einer vergrößerten Darstellung;
3 das Wärmeleitelement gemäß 2 in einer Draufsicht;
4 das Wärmeleitelement in einer Schnittdarstellung nach Linie IV-IV in 3;
5 das Wärmeleitelement gemäß 1 bis 4 in einer dreidimensionalen Darstellung; sowie
6 und 7 unterschiedliche Ausführungsvarianten des Wärmeleitelements in dreidimensionalen Darstellungen.
Die Schnittdarstellungen gemäß 1 und 2 zeigen das druckseitige Ende eines Drucksensors 1, der in eine nur strichliert angedeutete Messbohrung 17 einer Brennkraftmaschine einsetzbar ist und dessen Membranelement 10 den kurzzeitigen, intensiven Hitzestößen der inneren Verbrennung der Brennkraftmaschine ausgesetzt ist.
Das Sensorgehäuse 2 weist eine Dichtschulter 8 auf, die bei der bestimmungsgemäßen Montage des Drucksensors 1, ggf. unter Zwischenlage eines Dichtelementes 9, schulterdichtend am Absatz 16 der Messbohrung 17 zur Anlage kommt.
Das Membranelement 10 des Drucksensors 1 bildet im zentralen Bereich einen Membranstempel 11 aus, welcher auf ein Druckmesselement 5, beispielsweise aus mehren piezoelektrischen Elementen 6, einwirkt. Daran schließt eine im Vergleich zum Membranstempel wesentlich dünnere, flexible, kreisringförmige Membran 12 an, die in einen äußeren Membranflansch 13 von zumindest doppelter Wandstärke übergeht, der mit dem Gehäuse 2 des Drucksensors 1 verschweißt ist (siehe Schweißnaht 7). Als kritische Bereiche sind insbesondere der Membranflansch 13, dessen Außenkante 15 und der Übergang zur flexiblen Membran 12 anzusehen.
Im ungeschützten Fall kann sich der Membranflansch 13 durch einen Hitzestoß ausdehnen und teilweise aufstülpen, wodurch Kräfte auf die inneren Membranteile 11, 12 ausgeübt werden, die zu einem Fehlsignal führen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wärmeleitelementes 20, das am druckseitigen Ende des Drucksensors 1 angeordnet ist, werden diese negativen Einflüsse weitgehend vermieden.
Das Wärmeleitelement 20 liegt fugenlos an der Frontseite 14 des Membranflansches 13 an, umfasst dessen Außenkante 15 sowie die Schweißnaht 7 und ist hinter der Befestigungsebene ε der Membran am druckseitigen Ende 3 an der zylindrischen Außenfläche 4 des Gehäuses 2 befestigt. An dieser Stelle kann die vom Wärmeleitelement 20 abgeführte Wärme ohne negative Auswirkungen in das Sensorgehäuse 2 eingeleitet werden. Durch das Wärmeleitelement 20 wird die Stoßbelastung des Wärmeeintrags ausgeglichen und der Wärmestrom in unkritische Bereiche des Sensorgehäuses 2 abgeführt.
Das Wärmeleitelement 20 weist einen ringförmigen Flanschbereich 21 auf, an welchen ein zylindrischer Mantelbereich 22 im Querschnitt rechtwinkelig anschließt und an der Außenfläche 4 des Sensorgehäuses 2 befestigt ist. Die Befestigung des Mantelbereichs 22 erfolgt durch Schweißen (siehe Schweißpunkt 18), Löten, Aufpressen oder Aufschrumpfen am druckseitigen Ende 3 des Sensorgehäuses 2.
Erfindungsgemäß weist der ringförmige Flanschbereich 21 des Wärmeleitelements 20 in radialer Richtung eine Breite auf, die im Wesentlichen der radialen Breite des Membranflansches 13 entspricht, sodass die drucksensiblen Bereiche des Membranelements 10 durch eine zentrale Öffnung 25 des Wärmeleitelements 20 frei zugängig bleiben.
Zum besseren Ausgleich thermischer Spannungen im Wärmeleitelement 20 ist der ringförmige Flanschbereich 21 des Wärmeleitelementes 20 mechanisch weich ausgeführt und durch Einschnitte oder schlitzförmige Öffnungen 23 in mehrere Abschnitte 24 unterteilt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die schlitzförmige Öffnungen 23 ausgehend vom inneren Rand der zentralen Öffnung 25 radial nach außen und können sich in einem anschließenden Teilbereich des zylindrischen Mantelbereichs 22, beispielsweise bis zur halben Höhe des Mantelbereichs, fortsetzen (siehe 2 bis 4).
Wie in den 6 und 7 dargestellt, kann der ringförmige Flanschbereich 21 und/oder der zylindrische Mantelbereich 22 des Wärmeleitelementes 20 eine Vielzahl von Bohrungen 26, Öffnungen und/oder Einschnitten 27 aufweisen, um diese Bereiche des Wärmeleitelementes mechanisch weich einzustellen und thermische Spannungen abzubauen. Die Bohrungen 26, Öffnungen oder Einschnitte 27 können beispielsweise durch Laserschneiden, vorzugsweise durch Laserstrahlschmelzschneiden oder durch Laserstrahlbrennschneiden hergestellt werden.
Es ist auch möglich, den Flanschbereich 21 und/oder der zylindrische Mantelbereich 22 des Wärmeleitelementes 20 durch Bördeln, Falten, etc. mechanisch weich auszubilden, solange gewährleistet ist, das wesentliche Teile Membranflansches 13 abgedeckt bleiben und der Flanschbereich 21 großteils an der Frontseite des Membranflansches 13 anliegt.
Das Wärmeleitelement 20 besteht aus einer hochtemperaturbeständigen, gut wärmeleitenden und chemisch widerstandsfähigen Metalllegierung und kann wie das Membranelement 10 beispielsweise aus einer Chromstahllegierung bestehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2087333 B1 [0003]
EP 2024710 B1 [0007]
GB 2217846 A [0008]
AT 509919 B1 [0009]
AT 002036 U1 [0010]

Claims

Drucksensor (1) mit einem Sensorgehäuse (2) und einem druckseitig angeordneten Membranelement (10), das einen zentralen Membranstempel (11), eine kreisringförmige, flexible Membran (12) und einen Membranflansch (13) aufweist, wobei der Membranflansch (13) am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt, vorzugsweise mit diesem verschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (1) ein Wärmeleitelement (20) aufweist, das die Frontseite (14) des Membranflansches (13) großteils bedeckt, dessen Außenkante (15) umfasst und außen am druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) befestigt ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (20) durch Schweißen, Löten, Aufpressen oder Aufschrumpfen mit dem druckseitigen Ende (3) des Sensorgehäuses (2) verbunden ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (20) einen ringförmigen Flanschbereich (21) aufweist, an welchen ein zylindrischer Mantelbereich (22) anschließt, der an der Außenfläche (4) des Sensorgehäuses (2) befestigt ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Flanschbereich (21) des Wärmeleitelements (20) in radialer Richtung eine Breite aufweist, die im Wesentlichen der Breite des Membranflansches (13) entspricht, wobei die drucksensiblen Bereiche des Membranelementes (10) durch eine zentrale Öffnung (25) des Wärmeleitelementes (20) frei zugängig sind.
Drucksensor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Flanschbereich (21) des Wärmeleitelementes (20) durch bevorzugt radial verlaufende Einschnitte oder schlitzförmige Öffnungen (23) in mehrere Abschnitte (24) unterteilt ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einschnitte oder schlitzförmigen Öffnungen (23) des Flanschbereiches (21) in einem anschließenden Teilbereich des zylindrischen Mantelbereichs (22) fortsetzen.
Drucksensor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Flanschbereich (21) und/oder der zylindrische Mantelbereich (22) des Wärmeleitelementes (20) eine Vielzahl von Bohrungen (26), Öffnungen und/oder Einschnitten (27) aufweisen.
Drucksensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (26), Öffnungen und/oder Einschnitte (27) durch Laserschneiden, beispielsweise durch Laserstrahlschmelzschneiden oder durch Laserstrahlbrennschneiden hergestellt sind.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (20) aus einer hochtemperaturbeständigen, gut wärmeleitenden und chemisch widerstandsfähigen Metalllegierung, beispielsweise aus Chromstahl, besteht.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (2) eine Dichtschulter (8) aufweist, die bei der bestimmungsgemäßen Montage des Drucksensors, ggf. unter Zwischenlage eines Dichtelementes (9), schulterdichtend am Absatz einer Messbohrung zur Anlage kommt.